毛囊干细胞：基础研究汇总

撰文：小明月

来源：干细胞者说

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毛囊是毛发的基本单位，而毛发是由毛囊内的细胞生长分化而来。每根毛囊里面住着一群毛囊干细胞，提供新的细胞给生长中的毛囊。毛囊干细胞通常处在休眠状态，但会在新一轮生发周期中迅速活化分裂。人毛囊干细胞属于成体干细胞的一种，具有成体干细胞的共性。

当相邻部位受到损伤后，毛囊干细胞可从原定位的隆突部中迁出并参与损伤部位修复，比如生发。

毛囊干细胞

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谷氨酰胺代谢调控毛囊干细胞命运

微环境的改变或许是成体干细胞衰老的主要原因。德国科学家研究发现：在毛发的再生过程中，低氧会促进组织微环境中的谷氨酰胺代谢转变为糖酵解，从而维持毛囊干细胞的数量。

近日，德国科隆大学和马普所衰老生物学研究所的科学家们在Cell Metabolism上发表了题为Glutamine Metabolism Controls Stem Cell FateReversibility and Long-Term Maintenance in the Hair Follicle的最新研究成果。

他们发现  ：  毛囊干细胞可以通过响应组织中的低氧浓度而切换其代谢状态（由谷氨酰胺代谢转变为糖酵解代谢），增强外根鞘祖细胞向毛囊干细胞转化，减少毛囊干细胞的消耗。

毛囊干细胞调控机制研究

研究发现，低氧增加会触发毛囊干细胞的增加，2％的氧气浓度即可增强ORS祖细胞返回毛囊干细胞状态。其机制是，低氧会促进谷氨酰胺代谢转变为糖酵解，从而增加依赖于低氧糖酵解提供能量的毛囊干细胞。  

参考文献：

Kim CS. etal；Glutamine Metabolism Controls Stem Cell Fate Reversibility and Long-Term Maintenance in the Hair Follicle. Cell Metab. 2020 Oct 6;32(4):629-642.e8. 

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唤醒休眠毛囊，或可解决脱发困扰

毛囊是毛发的基本单位，在每个毛囊内都住着一群毛囊干细胞，毛囊干细胞可以不断的分化成其他细胞，促进头发的生长。就算掉了头发，只要有毛囊干细胞在，就会有源源不断的新头发长出。那么，脱发人群是由于毛囊干细胞的减少所以才形成脱发的吗？

最近研究人员发现，原来毛囊干细胞一直都在。脱发人群的脱发区域内仍然存在着许多毛囊以及毛囊干细胞，和健康人的毛囊数量并没有差别。但是这些毛囊干细胞却不再继续工作，而是进入了“休眠”模式。

发表在《Cell Stem Cell》以及《Nature Communications》上的两项研究就找到了帮助毛囊重新生长头发的方法，并且首次在培养皿内使得毛囊长出毛发。

研究人员发现，在JAK-stat途径中，一种叫做Trichophages的细胞通过分泌Onescatin M物质作用于毛囊干细胞，让它处于休眠状态。通过JAK抑制剂可以有效的阻止Onescatin M物质的分泌，刺激毛囊干细胞再度分化，重新打开毛囊的生长周期。

研究人员通过3D打印技术制作出了只有半毫米宽的超长超薄塑料模具，为毛囊细胞提供了适宜生长的微环境，并在培养皿中投入了唤醒毛囊干细胞的JAK抑制剂。仅仅在三周后，培养皿内就出现了人体毛囊并长出了毛发。

参考文献：

Etienne C.E. Wang et al. A Subset of TREM2+ Dermal Macrophages Secretes Oncostatin M to Maintain Hair Follicle Stem Cell Quiescence and Inhibit Hair Growth, Cell Stem Cell (2019).   

Hasan Erbil Abaci et al. Tissue engineering of human hair follicles using a biomimetic developmental approach, Nature Communications(2018).  

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毛发生长的奥秘：乳酸和毛囊干细胞

人的头发和体毛都是从毛囊中生长出来的，而毛囊干细胞则是它们的来源。一种新方法能够激活毛囊中的干细胞使其促进头发生长，或为后期研究人员开发新药来促进脱发或秃顶人群的头发生长；脱发的发生往往和多种因素直接相关，比如机体激素失衡、压力、老化或化疗等。那么，究竟是什么机制在调控这个休眠和活化的过程呢？

最新的研究发现，跟其它表皮细胞相比，毛囊干细胞通过糖酵解代谢产生更多的乳酸盐，这可能对它的活化很重要，因为没有了乳酸脱氢酶的毛囊干细胞会丧失活化能力。反过来，如果通过遗传手段促进毛囊干细胞的乳酸生产，则它们的活化以及毛发再生循环加速。最后，研究人员们还发现，如果通过某些化合物小分子局部促进毛囊干细胞的乳酸生产，也能达到诱导毛发再生的效果。

负责生发的毛囊干细胞通过维持不同的乳酸代谢状态来保持休眠或快速活化增殖，同时也暗示人们，或许可以通过调节毛囊干细胞的乳酸水平达到生发或不生发的效果。

参考文献：

Flores, A. et al. Lactate dehydrogenase activity drives hair follicle stem cell activation. Nat Cell Biol. 2017. 

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脱发与毛囊干细胞衰老的关系

为了保护好自己的发际线，科研人员一直在研究彻底解决脱发的方法。毛囊干细胞的活力是决定头发长短和生长周期的决定性因素。简单地说，毛囊干细胞产生毛囊，而毛囊产生毛发。毛囊干细胞是头发毛囊中的“长寿细胞”，在人的一生中都会持续的存在并分化，然而通常情况下毛囊干细胞处于静息状态，并在静息期不断地“总结”激活剂和抑制剂，当激活剂占主导地位时，将被快速激活进入生长期，这就是新头发生长的开始。

换句话说，是外部因素对毛囊干细胞的刺激决定了其生长还是衰退。

头发的生长周期

东京医科齿科大学Hiroyuki Matsumura等人称，脱发是由DNA损伤诱导的COL17A1蛋白水解引起的。在毛发周期中毛囊干细胞如果收到“衰老”刺激，它们将完成自己的“生命”周期，并最终分化为表皮角质，然后从皮肤表面清除。

因此，改善毛囊干细胞的外部刺激，是未来最有希望的改善脱发的方法。

毛囊干细胞的老化和脱发的机制

美国科罗拉多大学的研究者通过对干细胞的研究，发现Foxc1是“启动”小鼠的毛囊干细胞的转录因子，即在成年小鼠的毛发生长周期，毛囊干细胞周期性地在激活阶段和静止阶段之间切换来维持干细胞群体的稳定性，产生新的毛囊。通过操纵Foxc1在毛发生长周期不同阶段中的表达，或许就能调控毛囊干细胞的生长周期。

Foxc1对毛囊干细胞的调控

参考文献：

[1] Lei M , Chuong CM . Aging, alopecia, and stem cells. Science, 2016

[2] Matsumura H ， et al. Hair follicle aging is driven by transepidermal elimination of stem cells via COL17A1 proteolysis. Science, 2016,

[3] Wang L , et al. Foxc1 reinforces quiescence in self-renewing hair follicle stem cells. Science, 2016, 

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调节皮肤毛囊干细胞存活的基因

近日，在国际杂志Genes and Development上的一篇报告中，研究者揭开了BRCA1在调节皮肤干细胞存活上的一个新型角色。我们的DNA可以储存遗传信息，但是其会不断受到损伤，如果没有进行合理修复，DNA损伤便会导致细胞死亡，进而会导致组织老化疲惫，诱发基因突变，引发细胞无限增殖和癌症发生。Brca1是一个调解DNA修复的关键基因，其突变后会引发家族性或者散发性的乳腺癌和卵巢癌。

研究者揭示了Brca1在维持毛囊干细胞上所扮演的新角色和发挥的关键作用。研究揭示，在表皮中剔除乳腺癌相关基因Brca1后，毛囊细胞就会表现出高水平的DNA损伤以及细胞死亡，这将诱导毛囊干细胞增殖过度以及疲惫，从而引发毛囊变性。

相反，位于表皮中其他类型的干细胞，其可以形成皮肤屏障以及皮脂腺，来维护皮肤因基因Brca1缺失后的正常功能，这就揭示了BRCA1在不同类型的成体干细胞中不同需求。研究者表示，我们很惊奇地看到，不同组织中不同类型的细胞可以对于相同的基因剔除表现出不同的效应，就比如是对于DNA修复的关键基因。

参考文献：

BRCA1 deficiency in skin epidermis leads to selective loss of hair follicle stem cells and their progeny，Genes and Development

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生物钟对毛囊干细胞的控制

表皮干细胞可以确保皮肤的动态平衡得到高效维持。毛囊隆突中的干细胞负责毛囊再生和伤口愈合。它们产生一组异质性细胞——比如说这些细胞在其对内部和外部提示的反应能力方面就是异质性的。

研究表明，生物钟通过调控毛囊隆突干细胞对其微环境的反应能力来控制它们的激发状态和异质性。这意味着，始终都会有一组“准备好了”的细胞来对激发刺激做出反应，同时防止该微环境内的所有干细胞都变得具有响应能力。表皮干细胞若受到扰动，会影响组织的长期平衡，并使组织容易生成肿瘤。

参考文献：

Peggy J  et al., . The circadian molecular clock creates epidermal stem cell heterogeneity. Nature, 2011

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毛囊干细胞缺陷可能导致脱发

为了保护好自己的发际线，科研人员一直在研究彻底解决脱发的方法。美国宾夕法尼亚大学的研究者分析了54名40岁至65岁男子的头发和头皮组织。

结果发现，无论是脱发还是没有脱发的头皮组织中，毛囊干细胞的数量都是相同的，所不同的是，脱发头皮组织中的毛囊干细胞没有产生让头发生长的源细胞，这表明毛囊干细胞产生了缺陷，使头皮无法长出头发。

参考文献：

Garza LA , et al. Bald scalp in men with androgenetic alopecia retains hair follicle stem cells but lacks CD200-rich and CD34-positive hair follicle progenitor cells. Journal of Clinical Investigation

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毛囊干细胞在皮肤形成早期功能

一般而言，所有毛囊在小鼠出生时就已开始发育。毛囊干细胞从何而来，如何形成微结构尚不清楚。毛囊来自于表皮，而不是微环境。毛囊干细胞有多种标记物，主要包括CD34，还有转录因子Lhx2、Sox9、Tcf3、Nfatc1等。转录因子的表达开始于毛囊形成时期。在研究中，对毛囊干细胞进行了分析。结果发现，慢周期细胞在皮肤发育早期就已经出现，并且表达干细胞标记物，接着形成成体干细胞。

毛囊干细胞在毛囊形成最早期阶段就发生分化，并且初期的干细胞分化依赖于Sox9。更重要的是，早期的毛囊干细胞对于3种皮肤上皮细胞系形成都有贡献，一旦缺少这些细胞，毛囊和皮脂腺的正常形态发生就会受到阻碍，而同时上皮损伤修复也会被影响。

参考文献：

Nowak JA , et al. Hair follicle stem cells are specified and function in early skin morphogenesis. Cell Stem Cell

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毛囊干细胞与毛发再生

哺乳动物的毛皮里含有丰富的毛囊，这些毛囊经历着从生长到静息的周期，并且每个毛囊干细胞都能被调控分化成毛发。在控制毛囊活动周期中，骨形态发生蛋白（BMP）及其抑制因子起中心作用。对那些剔毛后毛发再生的小鼠来说，BMP2和BMP4都会调控各个毛囊中毛发的生长，并与附近的毛囊进行协调。这一对信号分子符合对“chalone”的描述，“chalone”是50年前就有人假设的分子，用以解释毛发生长的模式。

这项工作对于癌症形成和干细胞工程研究有参考意义，因为很多这类研究都假设小鼠皮肤在长时间实验中都是均匀一致的。 

参考文献：

Cyclic dermal BMP signalling regulates stem cell activation during hair regeneration.(bone morphogenetic protein)(Report),Nature

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参考资料：

• https://mp.weixin.qq.com/s/nrB63P8qtuo3NzEC0XDHJg
• https://mp.weixin.qq.com/s/52t4w5YymBMMkhx5bXXZjA
• Flores, A. et al. Lactate dehydrogenase activity drives hair follicle stem cell activation. Nat Cell Biol. 2017. 
• Lei M , Chuong CM . Aging, alopecia, and stem cells. Science, 2016
• Matsumura H ， et al. Hair follicle aging is driven by transepidermal elimination of stem cells via COL17A1 proteolysis. Science, 2016,
•  Wang L , et al. Foxc1 reinforces quiescence in self-renewing hair follicle stem cells. Science, 2016, 
• BRCA1 deficiency in skin epidermis leads to selective loss of hair follicle stem cells and their progeny，Genes and Development
• Peggy J  et al., . The circadian molecular clock creates epidermal stem cell heterogeneity. Nature, 2011
• Garza LA , et al. Bald scalp in men with androgenetic alopecia retains hair follicle stem cells but lacks CD200-rich and CD34-positive hair follicle progenitor cells. Journal of Clinical Investigation
• Nowak JA , et al. Hair follicle stem cells are specified and function in early skin morphogenesis. Cell Stem Cell

• Cyclic dermal BMP signalling regulates stem cell activation during hair regeneration.(bone morphogenetic protein)(Report),Nature

• Kim CS. etal；Glutamine Metabolism Controls Stem Cell Fate Reversibility and Long-Term Maintenance in the Hair Follicle. Cell Metab. 2020 Oct 6;32(4):629-642.e8. 

• Etienne C.E. Wang et al. A Subset of TREM2+ Dermal Macrophages Secretes Oncostatin M to Maintain Hair Follicle Stem Cell Quiescence and Inhibit Hair Growth, Cell Stem Cell (2019). 
• Hasan Erbil Abaci et al. Tissue engineering of human hair follicles using a biomimetic developmental approach, Nature Communications(2018).